模块化数据中心通信电源供电技术的研究

2019-08-19曹连兵王新芳

智能建筑电气技术 2019年3期

曹连兵，周莲，王新芳

(1. 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100038；2. 中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013)

0 引言

随着4G通信技术、云计算和物联网等各种技术不断发展，数据中心建设迎来了一个新的建设高潮。面对高速发展的数据中心，常规机房是“固态的”，不能灵活配置，远期扩展困难，随着IDC业务的发展和应用的增加，常规机房的弊端逐渐显现。常规机房基本上是按照项目进行部署的，机架密度低，部署建设缓慢，例如空调、电源、电气等辅助模块与服务器绑定严格，未来扩展困难，改造一处有可能涉及整个机房。到后期，随着业务的发展、应用的增加，机房系统需求的软件管理很多，使得冗余系统增加，原有的电源、空调等辅助模块已很难满足系统要求，此时需要对系统进行整体重新设计，并且进行扩展。

基于此，模块化数据中心应运而生。不仅可解决客户不断增长、变化的业务需求与常规机房部署缓慢、投资高、回报低之间的矛盾，还可进一步提高数据中心的使用率和工作效率，控制投资成本。

1 模块化数据中心的设计方案

1.1 模块化数据中心的组成

采用模块化布置的数据中心是把常规机房的制冷、电源、智能化、机架、布线等各系统集成化整合在一个装置内，把数据中心的所有机房按照行业内的规范划分成若干模块，即整个数据中心的机房分成若干独立区域，每个区域放置一个微模块，其规模配置、负载功率、配电、制冷、监控、网络等功能均按照统一标准和接口、模块化的独立运行区域进行设计，实现区域的微模块化、独立化，配电、冷源及系统管理软件等均可独立运行，无共享部分，实现了数据中心的快速灵活部署以及远期的扩建，同时初期的建设和设备成本大幅降低，缩短建设和部署周期，进而使数据中心内的机房可以灵活、机动部署。

模块化数据中心对建筑的要求不是很高，通常确认了物理建筑后，可以一次性把供电系统、发电机系统、制冷系统等配套设施建设好，仅预留远期的出水、电、网络等标准接口，后期具体按需部署机房模块即可。这种建设模式使模块的部署和整个建设过程可以分步实施，降低了互相影响的概率，能真正实现按需部署和扩展。据某公司研究显示，模块化数据中心建设周期要比常规机房缩短一半以上。

因此，微模块数据中心利用先进的制冷技术、供电技术以及其他相关先进技术，既提高数据中心内部的IT设备效率，也加强了冷源的使用效率，提高能源的利用率，降低了机房的PUE值，极大地推动了数据中心的绿色化。常规机房组成及模块化数据中心总体布局详见图1～2。

图1 常规机房组成示意图

图2 模块化数据中心总体布局图

1.2 微模块密闭冷、热通道方案的选型

模块化数据中心密闭通道适用于新建数据中心和旧机房的改造，可采用“密闭冷通道”方案，也能根据需求组成“密闭热通道”方案。

当机房有精密空调时，单机柜功率不超过6kW且采用地板下送风时，能够采用密闭冷通道方案，通过机房的精密空调来实现对密闭通道内设备的散热要求，密闭冷通道可使冷源直接进入到IT设备，提高制冷效率。双排密闭冷通道微模块与密闭冷通道微模块送风示意图详见图3～4。

图3 双排密闭冷通道微模块

图4 密闭冷通道微模块送风示意图

当单机柜功率大于6kW时，由于单机柜功率大，传统机房布置受限，不能满足散热要求，存在局部热点，密闭冷通道的方案不能满足散热的需求，此时可采用密闭热通道方案微模块，只需将模块化数据中心中各个设备旋转180°，设备由“面对面”放置改为“背对背”放置，端门和天窗的接口在机柜上预留，即可实现密闭热通道方案。密闭热通道是将IT设备散发的热量直接送入到空调的回风口，空调的制冷效率高，使模块外的机房保持比较舒适的温度。双排密闭热通道的微模块示意图如图5所示。

图5 双排密闭热通道的微模块示意图

2 模块化数据中心供电特点

模块化数据中心具有快速部署、安全可靠、配置灵活、易于扩展、智能化管理、绿色节能等特点。

2.1 快速部署，缩短建设周期

(1)模块化数据中心在规划、设计时严格遵循国际标准，按照既定的建设目标，采用合适的方式进行系统结构设计。选用满足当前需求的设备数量与类型，设计模块化和物理排列，集成度高，易于安装。

(2)数据中心的微模块可以批量生产，提高了交货速度。在出厂前完成机柜的预安装，为减少现场施工的工作量，采用标准化的配置和连接方式，进一步提高安装速度。

(3)模块化数据中心现场只需接通机柜外部电源、固定机柜等简单操作后即可进行系统调试。此外，微模块可以采用与现场一模一样的方式在工厂进行连接并预先测试，提高系统的调试速度。

(4)根据当前的机房需求进行设计，只需部署比典型传统系统设备数量更少的小型基础设施，进一步缩短了各个部署阶段所需的时间。

(5)微模块化的数据中心建设周期可大大缩短，常规机房实施阶段需要7～8个月，而采用微模块建设周期可缩短至3～6个月。

2.2 安全性和可靠性

(1)模块化数据中心遵循Tier Ⅲ标准，采用模块化、标准化和高整合设计，使得整个系统稳定度高，设备安全可靠。

(2)采用模块化设计的机房充分考虑了自然灾害的影响，进一步提高了抵御能力，充分保证了电源、冷源的可靠性，同时也保证通讯系统的正常工作。

(3)模块化数据机房动环监控系统配置齐全，能够随时掌握机房情况，提升机房的防盗能力。

2.3 灵活扩展、分期建设

(1)配置模块化机房，可分期灵活配置，满足快速扩容的需求。

(2)机房的模块化设计在配电、通信网络上预留适当的备用余量，可实现灵活扩容。

(3)采用微模块架构数据中心，可根据需求使微模块从1个到几十个逐步增加，进行分期建设。

2.4 绿色节能

(1)依据现阶段预测的机架需求设计数据中心的基础设施建设，同时考虑未来需求的变化，未来即可安装新的微模块，因而可节约非常可观的电力成本。

(2)新建的数据中心采用模块化方式进行设计，进一步优化了电源、冷源容量与机架负荷需求的匹配程度，提高了工作效率并减少过度配置。微模块电源转换率高达95.4%，同时微模块内均采用统一的预留接口和统一的微模块系统，极大节省电能，达到系统节能。

(3)微模块采用机柜式(列间)空调，空调提供的冷源空气直接送至机架负载处，更靠近热源，这样气流通路较短，而且制冷更为精准，解决了局部热点的问题。另外，微模块内冷源部分的通道进行封闭，冷源和热源被隔离控制在冷通道或热通道内，避免气流互相影响，提高空调系统的利用效率。相比常规机房，微模块数据中心制冷效率提升12%以上。

(4)模块化数据中心提高数据中心的能效，与常规机房相比，能量的损耗可减少约30%。